OrCAD16.3在通信电子线路教学中的应用

2014-03-24刘敏付崇芳

中国教育技术装备 2014年20期

◆刘敏付崇芳

作者：刘敏，南昌航空大学信息工程学院通信工程系讲师，主要研究方向为通信电子线路与EDA技术；付崇芳，南昌航空大学信息工程学院通信工程系（330063）。

1 引言

随着现代通信技术的发展，通信体制、调制编码方式、工作频段等方面发生很大变化，对通信电子线路的教学内容和教学方式提出新要求[1]。通信电子线路是电子信息工程、通信工程专业的主要专业基础课，显著特点是采用非线性分析方法，概念多、电路多、要求的基础知识多，传统教学方式以理论分析与公式推导为主，学生反映公式多，难以理解。

Cadence公司的OrCAD是工程师们认为功能最强大、应用最广泛的EDA软件，主要包括Capture CIS、Pspice AD、PCB Editor、PCB Router等组件，可以对电路进行直流分析、交流与噪声分析、偏置分析、时域分析等，其分析结果以波形或图表直观反映给用户[2]。将OrCAD用于通信电子线路教学中，可以帮助学生更好地理解并掌握通信电子线路知识，提高学习效率。本文以目前较流行的OrCAD16.3版本对振幅调制解调进行建模和仿真分析。

2 振幅调制解调基本原理

振幅调制是通信电子线路课程的重要内容，可分为普通调幅AM，双边带调幅DSB，单边带调幅SSB，把要传送的有用信号加载到载波上发送出去；振幅解调是振幅调制的逆过程，相对于把调幅信频谱搬回到零载频的低频端，可分为AM信号的包络检波和DSB信号的乘积解调——同步检波[3]。AM、DSB信号调制解调框图分别如图1、图2所示[4-5]。

图1 AM调制解调原理框图

图2 DSB调制解调原理框图

由图1、图2可以得出，调制信号叠加上一个直流分量，与载波相乘得到AM信号，通过包络检波器可还原调制信号；DSB信号相对AM而言，少了一个直流分量，由调制信号直接与载波相乘得到，再通过乘法器与低通滤波器还原调制信号。由此得出结论，系统要完成调制，核心部件是乘法器。

3 振幅调制解调的OrCAD建模与仿真

AM调制解调建模与仿真

图3 AM调制解调建模

1）AM调制解调建模：根据对AM调制解调原理框图分析，在OrCAD Capture CIS环境下，新建工程与原理图文件。调用SOURCE库中的vsin正弦源V1、V2分别为调制信号、载波信号，ABM库中的EMULT两电压相乘输出电压模块为乘法器，DIODE库中选择二极管D1N4148，ANALOG库中R、C等元件并设置相关参数设计二极管峰值包络检波电路，其中R3、C3为输出调制信号加入，对AM调制解调建模如图3所示。

图4 AM调制解调仿真

图5 惰性失真波形

由图3可知，V1=2+sin(2π·103t)，即uΩ=sin(2π·103t)，加入直流电压分量为2 V，V2=uc=sin(2π·465·103t)，两信号相乘得到AM信号，调幅度m=0.5，调制信号频率F=1 kHz，载波频率fc=465 kHz：

2）AM调制解调仿真：在分析类型中选择“Time Domain(Transient)”，设置时间长度为4 ms，仿真得到AM调制解调波形如图4（a）所示；在仿真结果中选择“Trace/Fourier”，得到AM信号频谱如图4（b）所示。

由图4中的VA波形可以观察到，调制后的AM信号最大幅值为3 V、最小幅值1 V，AM信号频谱可以观察到，上下两边频谱分别为466 kHz、464 kHz，由此得出AM信号所占据频带宽度为BS=466-464=2 kHz，即为调制信号频率的两倍。

3）包络检波器失真分析：包络检波器中R=R1+R2=2.51 kΩ，C=C1+C2=20 nF，由于二极管的单向导通性以及电容的充放电特性，高频信号被负载电容C1、C2滤掉，输出电压VB随着VA的包络变化，波形如图4所示。若改变负载电阻R2的值，当R2=51 kΩ时，会产生惰性失真，VB波形如图5所示。

这是由于R增加，电容对其放电速度变慢，计算得：

图6 负峰切割失真波形

图7 DSB调制解调建模

由于图4中VB中含有直流分量，要想还原调制信号，需要加隔直电容，具体电路如图3所示方框中C3、R3。当取R2=52 kΩ，R3=20 kΩ，二极管峰值包络检波器会产生负峰切割失真，VC波形如图6所示。

DSB调制解调建模与仿真

1）DSB调制解调建模：根据对DSB调制解调原理框图分析，同AM信号建模类似，调用SOURCE库中的vsin正弦源V1、V2分别为调制信号、载波信号，EMULT为乘法器E1、E2，LOPASS为低通滤波器模块。设置相关参数，对DSB调制解调建模如图7所示。

由图7可知：

两信号相乘得到DSB信号：

调制后的DSB信号再乘以一个与载波信号同频同相的本振信号V3可恢复调制信号：

uB通过低通滤波器后高频分量被滤除，输出20 kHz的调制信号。

2）DSB调制解调仿真：在分析类型中选择“Time Domain(Transient)”，设置时间长度为200 us，仿真DSB信号调制解调波形如图8（a）所示；在仿真结果中选择“Trace/Fourier”，得到DSB信号频谱如图4（b）所示。

由图8可观察得到，VA为调制后DSB波形，过零点时波形会发生180°跳变，其包络与调制信号V1的绝对值成正比；插入与V2同频同相的本振信号V3后，输出波形VB在V1的前半周期，两信号相乘得到正的幅度，后半个周期由于零点跳变，输出波形发生180°翻转；VB在通过低通滤波器后，输出频率为20 kHz的调制信号VC。DSB的频谱为上边频485 kHz与下边频445 kHz，所占据频带宽度为BS=485-445=40 kHz，即为调制信号频率的两倍，与AM信号所占频带宽度原理一致。

3）同步检波器失真分析：若分别改变本振信号V3的频率和相位，当V3=sin(2π·475·103t)时，恢复的调制信号VC如图9（a）所示；当V3=sin(2π·465·103t+0.5π)时，恢复的调制信号VC如图9（b）所示。恢复出来的两组信号都发生振幅失真，验证了同步检波器要求本振信号与发送端载波同频同相的原理。

4 结束语

本文利用OrCAD16.3软件对通信电子线路中AM信号、DSB信号、包络检波器和同步检波器进行了建模与仿真，通过调整参数，可以很直观地看到输出波形的变化。将OrCAD16.3对通信电子线路的基本单元（高频小信号放大器及高频功率放大器、正弦波振荡器、混频、调制与解调、锁相环）仿真后，引入南昌航空大学通信工程专业2011级、2012级理论教学与课程设计环节中，学生反映课堂生动，OrCAD16.3的应用加深了对理论知识的理解，学习主动性得到提高。